【摘 要】
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随着科技的不断发展,各类电子设备的性能和集成化程度不断提高,促使电子设备的热管理问题趋向高功耗、高热流密度方向发展,同时对于热应力变化较为敏感的设备,还需要要保证热源的均温性及温度波动范围满足要求,从而保证电子设备乃至整个系统的正常工作和稳定运行。因此基于两相流高效散热及相变恒温特性的主动式泵驱两相流回路系统逐渐成为研究热点。微通道具有结构简单、体积小、换热比表面积大的特点,特别适合有限空间内的高
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（U1737104）； 国家自然科学基金项目（51725602）； 江苏省六大人才高峰（XNY-042）；
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随着科技的不断发展,各类电子设备的性能和集成化程度不断提高,促使电子设备的热管理问题趋向高功耗、高热流密度方向发展,同时对于热应力变化较为敏感的设备,还需要要保证热源的均温性及温度波动范围满足要求,从而保证电子设备乃至整个系统的正常工作和稳定运行。因此基于两相流高效散热及相变恒温特性的主动式泵驱两相流回路系统逐渐成为研究热点。微通道具有结构简单、体积小、换热比表面积大的特点,特别适合有限空间内的高热流密度热源散热和温度精确控制。在实际工作过程中,微通道传热往往面临工况转换、热载荷变化及外界热扰动等问题,这迫使我们需要掌握微通道内两相流传热的动态特性。然而,目前对该类系统的研究多集中在稳态状况下系统性能测试、结构优化、控制策略改进等方面,缺乏对系统热动态特性的探究。为此,本文搭建了一套闭式泵驱微通道两相流换热系统并研究其热动态特性,并从温度、压力、流型等多重角度分析系统的动态变化,主要包括启动特性和热响应特性,并比较了不同运行策略的区别。总的来说,本文的主要研究内容以及研究结论包含以下部分:（1）设计搭建了泵驱两相流回路系统的性能测试平台,开展了微通道流动沸腾过程的可视化实验研究。定量描述了系统热启动过程的表现特征,根据温度的变化规律将系统的启动模式分为渐进启动、一次上升式超调启动和二次上升式超调启动三种,通过温度及流型的相互验证解释了各种启动模式产生的原因。渐进启动的壁面温度单调上升,主要原因是该启动模式下的流型及传热机理变化较为缓慢,换热流型从单相流到泡状流再到气泡-段塞复合流,相应的传热机理也从单相对流变为核态沸腾。超调启动的流型及传热机理变化较为剧烈,壁面温度会出现明显的突降过程,而对于二次上升式超调启动,温度突降后还会有一个二次上升的过程;一次上升式超调启动的传热流型从单相流快速的过渡到气泡流或气泡-段塞复合流,稳态时的换热机理以核态沸腾为主;二次上升式超调启动在超调时的流型也是由单相流快速转变为气泡流或段塞流,但随着壁面温度的二次上升,换热流型又逐渐过渡到搅拌流或环状流,稳态时的传热机理有核态沸腾伴对流蒸发,其中环状流时以对流蒸发为主。针对不同工况下的启动模式,采用无量纲Jakob数和We数定量绘制了启动状态图,对于不同启动模式采取相应的评价指标并分析各指标的影响因素。（2）从流型、温度、压力等角度探究了泵驱两相流回路系统的动态响应特征,重点分析了热负荷对热动态特性的影响规律。在全负荷变化区间内,微通道的换热流型随着热负荷的逐渐增大呈现出泡状流、塞状/弹状流、拉长气泡流、搅拌流、环状流再到反环状流的转变。传热恶化从微通道的出口开始并逐渐向通道的入口方向演化,而反环状流是传热恶化的标志,相应的随着热负荷的增加或循环流量的减小反环状流也从出口向进口方向延伸。从压力变化的角度分析,系统各点的压力随热负荷的增加逐渐上升,而蒸发器出口压力到高热负荷区后基本不变。从压力振荡的幅度来看,蒸发器入口的压力在全负荷范围内变化可以分单相稳定区、两相不稳定区、两相稳定区和临界换热不稳定区四个阶段;而蒸发器的压降与加热负荷成正比例关系,增大系统的循环流量,压降曲线的斜率不变,但相同热负荷下的压降值有所增加。系统的换热效率变化方面,蒸发器平均传热系数随热负荷的增大呈现快速上升、均匀上升,快速下降三个阶段变化趋势。从传质角度分析,系统在动态变化过程中储液罐与环路的工质交换可以由两者连接管上的管壁温度测点的动态变化来判断,当系统的循环流量减小或者加热负荷增加时,连接管上测温点的温度下降,且靠近环路测点的温度最低,说明工质正流向储液罐,反之则流出储液罐。（3）设计了一套集数据传输、执行器控制及温度调控的自动控制系统,在此基础上探究了不同动态运行策略下系统的表现特征。流量的控制策略可分为主动式流量控制和被动式流量控制。在未发生传热恶化前,恒定入口温度下主动式流量控制的平均传热系数低于被动式流量控制,但平均壁面温度则相反;而采用定入口过冷度时的结果则与定入口温度下相反。对比两种流量控制方式,主动式流量控制方式在均温性方面表现较差,而且被动式流量控制在传热恶化前均温性会有小幅提升。基于此特点,系统在流量调控方面存在最优流量区间,在定入口过冷度下最优区间右侧的循环流量流量较大,蒸发器的平均传热系数和平均壁面温度有所上升,但系统的能耗大幅增加;区间的左侧循环流量过低,蒸发器干度太大导致传热出现恶化现象,平均壁面温度快速上升,均温性大幅降低,系统无法正常工作;在该区间内系统的平均壁面温度最低,均温性最好,平均传热系数与最优区间右侧相差不大,但系统的能耗大幅降低。定加热负荷下,蒸发器进出口压降存在转折点,称之为静态流动不稳定性（OFI）。壁面温度可以通过调节储液罐上的温控单元进而改变系统的背压来影响蒸发器的饱和温度这种方式来进行有效的调控。本文研究工作提供泵驱两相流回路系统的设计及运行调控的实用数据,将为高功耗、高热流密度及高控温精度热源的动态热管理提供技术支撑。
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